Photovoltaik Engineering

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1 Photovoltaik Engineering

2 Andreas Wagner Photovoltaik Engineering Handbuch für Planung, Entwicklung und Anwendung 3. erw. Aufl. 1 3

3 Professor Dr.-Ing. Andreas Wagner Fachhochschule Dortmund Fachbereich Informations- und Elektrotechnik Sonnenstraße Dortmund Deutschland ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, 2006, 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort In der Erstauflage stand die ingenieurmäßige Berechenbarkeit der Kennlinie des PV-Generators zur Lösung von Anpassungsproblemen im Vordergrund. In der zweiten Auflage wurde auf die Energie-Ertragsprognose von photovoltaischen Systemen zur Netzeinspeisung ausführlicher eingegangen und es wurden Methoden für Qualitätskontrolle und Ertragsgutachten vorgestellt. In der vorliegenden überarbeiteten dritten Auflage werden neue Erkenntnisse der Qualitätskontrolle dargestellt, beispielsweise bei der Serieninnenwiderstandsmessung. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Behandlung photovoltaischer Inselsysteme. Es wird am Beispiel einer Relaisfunkstation auf einem abgelegenen Turm in Iserlohn gezeigt, dass auch in Deutschland eine sehr gute Verfügbarkeit während des ganzen Jahres erreicht werden kann. Photovoltaische Inselsysteme werden vermehrt weltweit in den sonnenreicheren Regionen eingesetzt. Die Grundlage einer guten Dimensionierung ist die Kenntnis von Einstrahlungsstatistiken. Es wurden daher Einstrahlungsdaten für etwa 500 Städte in 140 Ländern aller Kontinente erfasst und im Anhang dargestellt. Iserlohn, im September 2009 Andreas Wagner

5 VI Vorwort Vorwort zur 1. Auflage Photovoltaische Stromversorgungssysteme sind heute (1999) keine exotischen Anlagen mehr, deren Funktionsfähigkeit in Demonstrationsanlagen erst noch bewiesen werden muss. Es gibt inzwischen mehr als 1000 Dächer in Deutschland, staatlich gefördert z.b. im 1000-Dächer-Programm, auf denen photovoltaische Anlagen schon seit einigen Jahren Sonnenlicht in elektrische Energie wandeln und ins öffentliche Stromversorgungsnetz einspeisen. Das 1999 initiierte Dächer-Programm zeigt den politischen Willen, die Verbreitung von PV-Systemen noch stärker zu fördern. Auch andere Anwendungen ohne Netzanschluss haben insbesondere in den sonnenreichen Ländern in Äquatornähe einen beachtlichen kommerziellen Erfolg. Diese erfreuliche Verbreitung photovoltaischer Anlagen wirft in der praktischen Anwendung neue Fragen auf, beispielsweise die folgende zur Qualitätskontrolle: Stimmt die Peakleistung des Solarmoduls? Wie kann aus einer Kennlinienmessung, die unter realen Umgebungsbedingungen durchgeführt wurde, die Datenblattangabe der Peakleistung, die nur unter sogenannten Standard-Testbedingungen gilt, kontrolliert werden? Standard-Testbedingungen treten in der realen Umgebungen praktisch nicht auf. Eine Umrechnung der realen Messergebnisse auf die Erwartungswerte der Ergebnisse bei Standard-Testbedingungen mit einer für technische Praxisanwendungen geforderten Genauigkeit (5%) wäre hier eine Lösung. Der Autor des Buches stand Anfang der Achtziger-Jahre vor ähnlichen Problemen, als er in Projekten der Technischen Zusammenarbeit mit den Philippinen und Senegal bei der Erprobung und Verbreitung photovoltaischer Systeme tätig war. In Ermangelung geeigneter Fachliteratur wurden neue Methoden zur Berechnung des Solarzellenverhaltens unter realen Einstrahlungsbedingungen und Umgebungstemperaturen entwickelt. Insbesondere die Berechnung der Solarzellenkennlinie aus den Messwerten Kurzschlussstrom I sc, Leerlaufspannung U oc, Strom I pmax und Spannung U pmax im Punkt maximaler Leistung war ohne aufwändige Iterationsmethoden mit einer Genauigkeit von 1% möglich. Aufbauend auf diese Berechnungsmethode wurden weitere Lösungsmethoden für Aufgaben im Photovoltaik-Engineering entwickelt, die die Grundlage für das vorliegende Buch darstellen. Der Autor hofft, mit diesem Buch eine Lücke in der Berechnung der Solarzellenkennlinie zu schließen. Dank sagen möchte ich meiner Frau Helga, die mir in den Auslandsjahren und bei der Verfassung des Buches durch ihre Unterstützung und durch ihr Verständnis bei auftretenden Problemen diese Arbeit ermöglichte. Iserlohn, im Mai 1999 Andreas Wagner

6 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V Inhaltsverzeichnis... VII Symbolverzeichnis... XI 1 Einführung Eine kurze Geschichte der Photovoltaik Photovoltaische Anwendungstechnik Solares Strahlungsangebot Spektrum des Sonnenlichtes Astronomische Gegebenheiten Einstrahlung auf die Horizontale Einstrahlung auf die geneigte Fläche Solargenerator Ersatzschaltbild und Kennlinie der Solarzelle Ideale Solarzelle Ersatzschaltbilder mit konzentrierten Elementen Effektive Solarzellen-Kennlinie Kennlinien-Gleichung Berechnung der Gleichungsparameter Approximationsfunktion für die Steigung M Berechnungsbeispiel zur effektiven Solarzellen-Kennlinie Verlustwiderstände Serien-Innenwiderstand R s R s -Messung unter freiem Himmel... 48

7 VIII Inhaltsverzeichnis R s -Messung aus nur einer Solarzellen-Kennlinie Einfluss der Bestrahlungsstärke auf den R s Parallel-Innenwiderstand R p Messung der Kennlinie Ausgewählte Prinzipschaltbilder zur Kennlinienmessung Realisierung eines Kennlinien-Messgerätes Qualitätskontrolle vor Ort Peakleistungsmessung Innenwiderstandsmessung Matchverluste Verlustbegrenzung durch Bypass-Diode Internes Mismatching Verluste durch Staub-Belag Komponenten von PV-Systemen Inselsysteme und Netzeinspeisesysteme Batterie Laderegler Wechselrichter Verbraucher Dimensionierung von PV-Inselanlagen Dimensionierung des Solargenerators Dimensionierung der Batterie Definition der Systemverfügbarkeit Verfügbarkeit als Zielgröße der Dimensionierung Einfluss der Batteriegröße auf die Verfügbarkeit Dimensionierung ausgewählter Anwendungen Solare Heimsysteme Dorfstromversorgungsanlagen Medizin-Kühlschrank Wochenendhaus Einfamilien-Wohnhaus Relaisfunkstation Energieversorgung mit PV-Anlagen Jahres-Energieertrag von PV-Systemen Kosten pro Kilowattstunde Aufzinsungsfaktor und Abzinsungsfaktor

8 Inhaltsverzeichnis IX Barwertfaktor und Wiedergewinnungsfaktor Kosten-Annuitäten-Methode Ländliche Elektrifizierung mit Solar-Home-Systemen PV-Inselsystem vs. Netzerweiterung Einfamilien-Wohnhaus Netzeinspeiseanlage Energie-Ertragsgutachten Selbstverpflichtung der Ertragsgutachter Wetterdaten Systemkomponenten Standort, Vor-Ort-Termin, Verschattung Berechnungsverfahren Darstellung der Ergebnisse Vergleichendes Gutachten von drei PV-Anlagen Wohnhaus Iserlohn Sümmern, Brucknerstraße Wohnhaus Iserlohn Sümmern, Uhlenburg Kreuzkirche Sümmern, Kirschblütenweg Zusammenfassung Anhang A.1 Solares Strahlungsangebot A.1.1 Spektrum des Sonnenlichtes A.1.2 Astronomische Gegebenheiten A.1.3 Deklination Januar bis Juni A.1.4 Deklination Juli bis Dezember A.1.5 Zeitgleichung Januar bis Juni A.1.6 Zeitgleichung Juli bis Dezember A.1.7 Einstrahlung auf die Horizontale A.1.8 Einstrahlung auf geneigte Fläche A.1.9 Jährliche Schwankung der Globalstrahlung A.2 Solargenerator A.2.1 Effektive Solarzellen-Kennlinie A.2.2 PV-Modul-Datensammlung A.3 Ursachen für Minder-Leistung A.4 Mathcad Grundlagen A.5 Qualitätskontrolle A.5.1 Ermittlung der Kennwerte A.5.2 Peakleistung A.5.3 Serien-Innenwiderstand R s

9 X Inhaltsverzeichnis A.5.4 Parallel-Innenwiderstand R p A.6 Matchverluste A.7 Anlagenkomponenten A.7.1 Bleibatterie A.7.2 Wechselrichter A.8 Systemdimensionierung A.8.1 Täglicher Energiebedarf A.8.2 Dimensionierung der Batterie A.8.3 Dimensionierung des Solargenerators A.8.4 Mittlere Verfügbarkeit A.9 Energieversorgung mit PV-Anlagen A.9.1 Energieertrag A.9.2 Kosten pro Kilowattstunde A.9.3 Kosten-Annuitäten-Methode A.10 CO 2 -Emission Literatur Literaturverzeichnis Weiterführende Literatur Zeitschriften Simulations-Software Sachverzeichnis

10 Symbolverzeichnis a a A F AM Verfügbarkeit mittlere Verfügbarkeit Autonomiefaktor der Batterie Air-Mass, relative Weglänge des Sonnenlichtes durch die Erdatmosphäre AN Annuität einer Investition [ ] BF C C C N c T d Barwertfaktor Kapazität einer Batterie [Ah] Kapazität eines Kondensators [F] Nennkapazität der Batterie [Ah] Temperaturkoeffizient der maximalen Leistung ein Tag, täglich E Bestrahlungsstärke [W/m 2 ] E 0 E N F A FF 1000 W/m 2 (Bestrahlungsstärke bei STC) 800 W/m 2 (Bestrahlungsstärke für NOCT) Flächenfaktor Füllfaktor G mittlere Einstrahlung [kwh/m 2 ] G tägliche Einstrahlung [kwh/m 2 ]

11 XII Symbolverzeichnis GA Jahresmittelwert der tägliche Einstrahlung [kwh/m 2 ] G dim Dimensionierungs-Einstrahlung [kwh/m 2 ] G eff effektive Dimensionierungs-Einstrahlung [kwh/m 2 ] GM Monatsmittelwert der tägliche Einstrahlung [kwh/m 2 ] I I 0 I D I m Strom [A] Sperrstrom [A] Diodenstrom [A] Kurzform für I pmax [A] IN Investition [ ] I ph I pmax I sc K kwh M MPP NOCT n p n r P P a P e P eb P max Photostrom [A] Strom im Punkt maximaler Leistung [A] Kurzschlussstrom (engl. short circuit current) [A] Kosten pro kwh [ /kwh] Steigung der Solarzellenkennlinie bei I=0 [V/A] Maximum Power Point (engl.: Punkt Maximaler Leistung) Nominal Operating Cell Temperature [ C] Zellen-Betriebstemperatur bei T ambn =20 C und E N =800W/m 2. Anzahl Zellen in Parallelschaltung Anzahl Zellen in Reihenschaltung Leistung [W] Ausgangsleistung [W] Eingangsleistung [W] Eigenbedarfs-Leistung [W] aktuelle Spitzenleistung einer Solarzelle [W]

12 Symbolverzeichnis XIII P N PR PR 0 PR 0cSi P pk PV Q q Nennleistung [W] Performance-Ratio (der Anlage) Performance-Ratio der Solarzelle Performance-Ratio von kristallinen Solarzellen Peak-Power Nenn-Spitzenleistung der Solarzelle bei STC [W] Photovoltaik, photovoltaisch Ladung einer Batterie [Ah] mittlerer täglicher Trübungsfaktor durch Verstaubung q Zinsfaktor 1+z R R E R F R ib R p R pv R s R se R sh R S SHS STC T Widerstand [ Emitterwiderstand [ Faraday-Widerstand [ Innenwiderstand der Batterie [ Parallel- Innenwiderstand [ Photovoltaik-Widerstand [ Serien-Innenwiderstand [ Selbstentladungswiderstand [ Nebenwiderstand, Shunt [ ohmscher Widerstand [ Schalter Solar-Home-System Standard Test Conditions Standardprüfbedingungen zur Ermittlung von P pk Betriebsdauer [Jahre]

13 XIV t T amb T j T j0 U U AC U b U BE Symbolverzeichnis Zeit [Jahre] Umgebungstemperatur (ambient temperature) [ C] Zellentemperatur (junction temperature) [ C] 25 C (Zellentemperatur bei STC) Spannung [V] Wechselspannung [V] Batteriespannung [V] Basis-Emitter-Spannung [V] U bmax U bmin U D U DC U m U N U oc U pmax U st U T W W A W bat W d W el WF Ladeschlussspannung der Batterie [V] Entladeschlussspannung der Batterie [V] Diodenspannung [V] Gleichspannung [V] Kurzform für U pmax [V] Nennspannung der Batterie [V] Leerlaufspannung (engl. open circuit voltage) [V] Spannung im Punkt maximaler Leistung [V] Steuerspannung [V] Temperaturspannung [V] Energie [kwh] Jahresenergieertrag [kwh] Energiekapazität der Batterie [kwh] Tagesenergieertrag zur Anwendung [kwh] Tagesenergieertrag des Solargenerators [kwh] Wiedergewinnungsfaktor

14 Symbolverzeichnis XV z Z Z T i u a bat EUR lr rel s sp sr wr Kalkulationszinssatz Zyklenfestigkeit der Batterie Teilzyklenfestigkeit der Batterie Strahlungsfluss [W] Einfallswinkel Streubreite der Ströme Streubreite der Spannungen Wirkungsgrad Wirkungsgrad bei 10 % der Nennleistung Wirkungsgrad bei 100 % der Nennleistung Anpassungswirkungsgrad Energiewirkungsgrad der Batterie Euro-Wirkungsgrad des Wechselrichters Wirkungsgrad des Ladereglers relativer Wirkungsgrad Schaltungswirkungsgrad Schaltungswirkungsgrad bei Parallelschaltung Schaltungswirkungsgrad bei Reihenschaltung Wirkungsgrad des Wechselrichters Wirkungsgrad bei Nennbedingungen Standardabweichung der Einstrahlung [kwh/m 2 ]